Qualidade de Serviço em Redes sem Fio em Malha

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1 Qualidade de Serviço em Redes sem Fio em Malha Livia Ferreira Gerk Escola de Engenharia Universidade Federal Fluminense (UFF) Rua Passos da Pátria, 156 Niterói RJ - Brasil ligerk@terra.com.br Resumo. Este trabalho tem como objetivo apresentar os desafios relacionados à implementação de Qualidade de Serviço (QoS) em Redes Sem Fio em Malha (Redes Mesh) bem como algumas propostas de implementação relacionadas a padrões e alterações em protocolos de roteamento, indicando caminhos para aprofundamento em trabalhos futuros. 1. Introdução Redes sem fio em malha ou redes mesh são redes com topologia dinâmica e de crescimento orgânico, constituídas por nós cuja comunicação, no nível físico, é feita através de uma das variantes dos padrões IEEE e e cujo roteamento é dinâmico. Recentemente, estas redes têm sido alvo de estudo de grandes empresas fornecedoras de equipamentos de rede e operadoras de telecomunicações e de instituições acadêmicas. Dentre as aplicações implementadas, estão o fornecimento de acesso banda larga dentro dos campi das universidades e para as comunidades próximas e a criação de cidades digitais, permitindo também a inclusão digital. As redes mesh oferecem um menor custo de infra-estrutura, pois requerem menor número de pontos de acesso às redes cabeadas (Internet), proporcionando conectividade a uma área muito maior que as redes sem fio tradicionais. Estas redes, ao contrário das redes ad-hoc do padrão IEEE nas quais se baseiam, não enfrentam restrições referentes à mobilidade e ao consumo de energia, pois normalmente os nós têm localização fixa e podem ser facilmente alimentados, tornando-os capazes de prover maior largura de banda, confiabilidade e redundância. Atualmente, o interesse em aplicações multimídia, como telefonia IP, vídeo sob demanda, dentre outras, tem crescido bastante. A entrega de conteúdo multimídia através da Internet, uma rede que suporta serviço de melhor esforço, já é uma tarefa desafiadora pelos requisitos restritos de retardo e variação do retardo destas aplicações. A popularização das redes de acesso sem fio aumenta ainda mais estes desafios pela variação das condições da rede nestes ambientes. Com isso, o fornecimento de Qualidade de Serviço (QoS) em redes sem fio se tornou uma área de grande interesse dos pesquisadores, resultando em padrões como o IEEE e. No entanto, as redes mesh possuem características exclusivas que fazem com que a aplicação direta das técnicas já existentes não seja eficiente. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é detalhar as especificidades das redes mesh e como elas influem na implementação de QoS, apresentando alguns dos trabalhos sendo desenvolvidos nesta área e indicando futuros direcionamentos nessa linha de pesquisa. O restante deste trabalho está organizado da seguinte forma. A Seção 2 explica o que são redes mesh, mostrando suas características principais, e apresentando o padrão

2 emergente IEEE s para implementação de redes mesh no nível 2. Os desafios de implementação de QoS em redes mesh são detalhados na Seção 3. Na Seção 4, são apresentadas algumas propostas de implementação com relação a aspectos dos desafios citados, sendo relacionadas propostas para futuros trabalhos na Seção 5. A Seção 6 conclui o trabalho. 2. Redes Mesh Sem Fio Uma rede mesh sem fio é uma rede sem fio construída a partir de uma mistura de nós fixos e móveis estabelecendo uma rede ad hoc interconectada por enlaces sem fio [26]. O objetivo de sua implementação é prover um sistema de distribuição (distribution system DS) sem fio para interligar os pontos de acesso (Basic Service Sets BSS) ou outros tipos de rede em um único Extended Service Set (ESS) mesh. A ausência da necessidade de cabeamento entre os pontos de acesso oferece baixo custo e rapidez de implementação. Através da troca de informações entre os nós, a rede descobre seus elementos e rotas e se configura automaticamente, reduzindo também os custos e esforços de administração e manutenção da rede. A característica fundamental das redes mesh é o encaminhamento através de múltiplos saltos. [25] A força do sinal é mantida quebrando-se as longas distâncias em uma série de pequenos saltos. Os nós intermediários não só regeneram o sinal como também tomam decisões de encaminhamento baseadas no conhecimento da rede. Com isso, aumenta-se a área de cobertura e a eficiência espectral (quantidade de bits por segundo por Hertz) com a possibilidade de reuso de freqüências. A topologia em mesh, em oposição à topologia em estrela das redes infraestruturadas, oferece maior robustez devido aos múltiplos caminhos para cada destino e à recuperação automática de falhas nesses caminhos. Os nós mesh são pontos de acesso que incorporam as funções de roteamento, segurança, dentre outros, e alguns deles funcionam como gateways para interconexão com outras redes. Normalmente, o tráfego flui de e para estes gateways. Existem 2 abordagens para a implementação de redes mesh: através de protocolos de roteamento ad hoc nível 3 e através de encaminhamento em múltiplos saltos nível 2 com um novo protocolo MAC (Media Access Control). A primeira abordagem tem sido utilizada nas diversas implementações em universidades, como Universidade Federal Fluminense (UFF) e Massachusetts Institute of Technology (MIT), e nas chamadas cidades digitais, como as desenvolvidas em São Francisco (USA), Sud Mennucci, Piraí e Belo Horizonte (Brasil). A implementação do encaminhamento em múltiplos saltos se baseia nos protocolos de roteamento ad hoc, porém através de novas métricas, além do número mínimo de saltos, mais adequadas às características das redes mesh. Algumas destas métricas, focadas na QoS, são discutidas na Seção 4. A segunda abordagem está sendo padronizada pelo IEEE (Institute of Electrical and Eletronic Engineers) no padrão IEEE s e propõe novos mecanismos de controle de acesso ao meio, incorporando o encaminhamento em múltiplos saltos ao nível 2. Esta abordagem será detalhada na próxima subseção. 2.1 Redes Mesh no Nível 2 Padrão IEEE s O padrão IEEE provê um formato de quadro com 4 endereços para troca de pacotes de dados entre pontos de acesso (access point AP) através de um sistema de

3 distribuição sem fio (wireless distribution system WDS), porém não define como configurar ou usar este WDS [2]. Deste modo, foi criado um grupo de estudos para desenvolvimento do padrão IEEE s, que prevê a configuração automática de caminhos entre APs sobre topologias de múltiplos saltos auto-configuráveis que suportem tráfego unicast, broadcast e multicast. As redes mesh apresentam taxas de transmissão mais altas devido à menor distância de comunicação, capacidade de rede estendida pelo reuso de freqüências e maior robustez pelos mecanismos de recuperação de rotas. Os elementos principais de um ESS mesh são mostrados na Figura 1. Figura 1. Elementos de um ESS Mesh Os Mesh Points (MP) são equipados apenas com funções de rede mesh. Os Mesh Access Points (MAP) apresentam, além das funções de rede mesh, funções de ponto de acesso. Um Mesh Portal (MPP) possui funções de rede mesh e de gateway para conexão com redes externas. As estações denotadas por STA são equipamentos sem fio legados, sem qualquer função de rede mesh. A rede de acesso, conectada ao MAP, não é necessariamente sem fio. Um WDS faz o transporte do tráfego entre os MPs, MAPs e MPPs. O futuro padrão IEEE s prevê um WDS composto de no máximo 32 elementos, incluindo MPs, MAPs e MPPs. No entanto, aos MAPs podem estar conectadas centenas de STAs, aumentando bastante a extensão da rede [3]. Diferentemente das redes ad hoc, as redes mesh provêem conectividade de múltiplos saltos através de uma hierarquia: de e para os MPPs e entre STAs associadas a diferentes MAPs.

4 Figura 2: Pilha de Protocolos IEEE s A Figura 2 apresenta a pilha de protocolos proposta no draft do padrão IEEE s, que é composta dos seguintes blocos [1]:? Mesh Topology Learning, Routing and Forwarding: contém funções para descoberta dos nós vizinhos, funções para obter métricas de rádio de modo a prover informações sobre a qualidade dos enlaces sem fio, protocolos de roteamento para determinar as rotas para transferir pacotes baseado em seus endereços MAC de destino e uma função de encaminhamento de pacotes. Para um uso eficiente dos recursos, os protocolos de roteamento devem usar métricas de rádio e múltiplos canais de freqüência de acordo com as condições de rádio;? Mesh Network Measurement: contém funções para cálculo de métricas de rádio a serem usadas pelos protocolos de roteamento e para medir as condições de rádio para suporte à seleção de canais de freqüência;? Mesh Medium Access Coordination: contém funções para tratar os problemas do terminal escondido e do terminal exposto, para realizar controle de prioridade, de congestionamento e de admissão e para possibilitar o reuso espacial de freqüências;? Mesh Security: contém funções para a proteção de quadros de dados e de gerenciamento, como protocolos de roteamento, e assume os esquemas de segurança definidos no padrão IEEE i. Usa o Efficient Mesh Security Association (EMSA) que, como o IEEE i, inclui autenticação 802.1x, distribuição de chaves e criptografia dos quadros de gerenciamento. A diferença principal é que os MAPs atuam tanto no papel de autenticador como no de suplicante, além de criar uma hierarquia de chaves, porém sem prover segurança fim-a-fim;? Interworking: mantém a conformidade com os demais padrões IEEE 802, permitindo a função de bridge transparente para conexão com outras redes através do MPP e operando como uma LAN broadcast para os terminais conectados à rede sem fio.? Mesh Configuration and Management: provê uma interface para autoconfiguração dos MPs com relação a parâmetros de rádio freqüência (RF), gerenciamento das políticas de QoS, dentre outras. Antes de um MP se tornar membro de uma rede mesh, ele realiza a descoberta dos vizinhos através da varredura por beacons que contenham pelo menos um perfil

5 correspondente. Um perfil é composto por um mesh ID, um identificador de protocolo de seleção de caminho e um identificador de métrica de enlace. Para estabelecer um enlace, os 2 MPs executam o protocolo de gerenciamento de enlace sobre o enlace Para a seleção dinâmica dos canais de freqüência, o draft do padrão IEEE s estabelece 2 métodos [3], [1]:? Modo de Canal Único: após a inicialização, o nó utiliza o protocolo Simple Channel Unification Protocol para fazer uma varredura ativa ou passiva de vizinhos. Caso não encontre nenhum vizinho, o MP se declara o inicializador da rede mesh e seleciona a prioridade de canal baseada no seu tempo de inicialização (boot time) e em um número aleatório. Caso uma rede desconexa, com canais diferentes, seja descoberta, o canal é escolhido baseado na maior prioridade.? Modo Multicanal: cada MP possui mais de uma interface sem fio de modo a otimizar a capacidade da rede, através de balanceamento de carga e de redução dos impactos dos problemas do terminal escondido e do terminal exposto. Este modo é capaz de alocar a freqüência a ser usada em cada interface dinamicamente de acordo com a topologia da rede e as condições de tráfego. MPs que se comunicam através de uma mesma freqüência podem ser agrupados em clusters. O modo de canal único e o modo multicanal estão ilustrados na Figura 3. Figura 3: (a) Modo de Canal Único; (b) Modo Multicanal com a formação de clusters O draft do padrão estabelece o uso obrigatório do mecanismo Enhanced Distribution Coordination Access (EDCA) e propõe otimizações opcionais através de um Full NAV para proteger o meio até o fim da oportunidade de transmissão (TXOP), um Packet by Packet (PbP) NAV para proteger o meio até a recepção de um acknowledgement (ACK) e um mecanismo de limpeza do Network Allocation Vector (NAV) para liberar o meio no caso de um 4-way handshake (RTS-CTS-DATA-ACK) incompleto, após o período referente a 2 SIFS (Short Inter-Frame Space) mais 1 CTS (Clear to Send) mais 2 slots de tempo. O draft também prevê uma proposta de mecanismo de acesso ao meio chamada de Mesh Deterministic Access (MDA) que trabalha com a reserva de oportunidades de transmissão. [1] Um campo referente a mesh é introduzido no cabeçalho e contém de 4 a 16 bytes. O 1º byte contém um campo de flags, onde o único bit definido indica a presença de Extensão de Endereço (Address Extension AE), que faz com que sejam usados 6 endereços identificando determinados nós intermediários de um caminho quando é implementado roteamento hierárquico. O 2º byte define um TTL similar ao do cabeçalho IP para evitar que um quadro fique circulando indefinidamente pela rede. Os 3º e 4º bytes contêm um número de seqüência fim-a-fim, que é usado para evitar

6 transmissões desnecessárias quando é feito um flooding e para que o destino do quadro identifique duplicidade. [5] Devido ao tráfego em uma rede mesh ser predominantemente encaminhado de e para os MPPs, é formada uma estrutura lógica em árvore. O protocolo padrão definido no IEEE s, Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP), é um protocolo de nível de enlace que usa um roteamento hierárquico para explorar essa estrutura em árvore no modelo de roteamento pró-ativo e um protocolo de roteamento sob demanda para tratar a mobilidade, usado na comunicação entre os MPs. O protocolo sob demanda é baseado no Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) e utiliza uma métrica simples de contagem de saltos. O draft do padrão também define de forma opcional o uso do protocolo Radio-Aware Optimized Link State Routing (RAOLSR), que utiliza um conjunto de nós que faz um flood da métrica baseada em rádio, reduzindo o overhead de controle do protocolo de roteamento pelo controle do escopo do envio destes pacotes. [1] Inerente a esta estrutura lógica em árvore e ao reencaminhamento dos pacotes por nós intermediários, cujos efeitos no buffer de transmissão dos nós é ilustrado na Figura 4, ocorrem atrasos de transmissão e quedas na vazão, fazendo com que os nós próximos das bordas da rede possam sofrer de starvation devido aos próprios mecanismos de controle de acesso ao meio e à sua distância em relação ao MPP. Este último caso é chamado de conflito espacial (spatial bias). Para conter este problema, o draft IEEE s propõe um mecanismo de controle de congestionamento opcional através de sinalização entre os nós. O algoritmo para controle de congestionamento em si não é especificado. [1] Figura 4: Efeitos do encaminhamento de pacotes nos nós intermediários que podem levar a congestionamento O MP deve monitorar a quantidade de tráfego entrante e sainte, verificando o ponto em que se torna incapaz de encaminhar e originar tráfego tão rapidamente quanto o tráfego entrante, momento em que ocorre o congestionamento. Este mecanismo é chamado de Monitoramento Local de Congestionamento. O MP, então, deve notificar seus vizinhos a um salto de distância (Sinalização de Controle de Congestionamento Local) de modo que eles reduzam sua taxa de transmissão ao MP (Controle de Taxa Local) [1]. Os mecanismos propostos para o Monitoramento Local de Congestionamento são baseados na diferença entre o agregado de pacotes transmitidos e recebidos ou no tamanho da fila de saída propriamente dita com limites inferiores e superiores. Para a sinalização de controle de congestionamento local, podem ser enviados a Requisição de Controle de Congestionamento (Congestion Control Request CCR), que notifica o nó anterior para reduzir sua taxa, ou um Anúncio de Congestionamento da Vizinhança, que atinge todos os nós imediatos (broadcast), como ilustrado na Figura 5. Ambos podem especificar a taxa para cada classe de serviço baseado no

7 padrão IEEE e de forma independente, de modo que o controle de congestionamento não impacte no tráfego de maior prioridade. Figura 5: CCR ajustando a taxa de transmissão do nó anterior Pelo draft, o sincronismo é opcional e o quadro de beacon é estendido para conter Elementos de Informação adicionais que provêem mensagens de roteamento, por exemplo. O mecanismo de economia de energia se baseia naquele definido para redes ad hoc. [5] 3. Desafios de Implementação de Qualidade de Serviço (QoS) em Redes Mesh A qualidade de uma rede mesh depende fundamentalmente da qualidade dos enlaces sem fio, do nível de interferência e da taxa de utilização dos recursos de rádio. [3] As redes mesh têm diversos aspectos que tornam sua análise de desempenho mais complexa que as redes sem fio tradicionais. Dentre eles, podemos destacar a competição entre tráfego originado no nó mesh e encaminhado pelo nó mesh, o decréscimo da banda efetiva com o aumento do número de saltos até o destino e a disputa pelo acesso ao meio de pacotes de um mesmo fluxo entre nós vizinhos. Características intrínsecas do padrão IEEE trazem limitações para os protocolos de camadas superiores identificarem e tratarem o congestionamento. Por exemplo, antes que a perda de um pacote seja notificada a um protocolo de nível superior, o quadro correspondente já foi retransmitido pelo menos 4 vezes (Short Retry Limit). Com isso, a taxa de perda de pacotes não pode ser usada como um parâmetro determinante na análise de desempenho para aplicação de políticas de QoS, pois quando o congestionamento é percebido, a rede já está degradada. [10] Outro exemplo é o mecanismo de Controle Automático de Taxa de Transmissão (Automatic Rate Control ARC), que determina a modulação utilizada em função das condições do canal com o objetivo de explorar o compromisso entre a taxa de erros e a capacidade de transmissão. Muitos dos parâmetros utilizados na determinação da qualidade do enlace sem fio dependem da taxa de transmissão utilizada. O algoritmo de ARC não é definido no padrão, tendo cada fabricante implementado de forma independente. [10] Os principais desafios na implementação de QoS em redes mesh são descritos nas próximas subseções. 3.1 Interdependência entre os mecanismos de MAC e de seleção de rotas Existem protocolos de roteamento reativos, pró-ativos, adaptativos ou híbridos. Para as redes mesh, o uso de protocolos híbridos é mais adequado [9], pois oferece flexibilidade dependendo da abrangência da rede ou número de nós ativos. Os protocolos pró-ativos são mais vantajosos para redes com menor número de nós ativos enquanto que os protocolos reativos se adaptam melhor a redes com maior número de nós.

8 Como a qualidade de uma rede mesh está intimamente ligada à disponibilidade dos recursos de rádio e à qualidade dos enlaces sem fio, as métricas tradicionais de contagem de saltos precisam ser estendidas para métricas multidimensionais capazes de capturar informações de cada enlace, como potência, qualidade do sinal, dentre outras. A camada de enlace pode prover a eqüidade de oportunidades de acesso a nível local, porém, para uma garantia fim-a-fim, é necessário o controle através da camada de rede com protocolos de roteamento que considerem parâmetros de QoS na seleção do melhor caminho para cada tipo de tráfego. Um exemplo de roteamento em que este critério é considerado é ilustrado na Figura 6. Figura 6: Seleção de rota baseada nos requerimentos de QoS do trafego Isso pressupõe uma integração entre as funcionalidades das camadas 2 e 3, conceito conhecido na literatura como cross-layer, o que constitui um grande desafio por estar fora do escopo de padronização tanto do IETF (Internet Engineering Task Force) quanto do IEEE. [9] 3.2 Competição Intra-Roteador e Inter-Roteador O meio sem fio é um meio com capacidade de difusão (broadcast). Dessa forma, para garantir os requisitos de QoS de um pacote, não basta a diferenciação das classes de serviço dentro do próprio nó, através do gerenciamento de filas e de algoritmos de escalonamento, como ocorre nos meios com fio. Para chegar ao seu destino, o pacote precisa disputar a saída do nó através do esquema de prioridades de filas e escalonamento de serviço das filas apropriados, porém deve disputar também o acesso ao meio a cada salto, muitas vezes contra pacotes do mesmo fluxo [8], impactando na QoS fim-a-fim da aplicação de forma geral. 3.3 Capacidade da Rede Vários parâmetros da topologia de uma rede mesh podem influenciar em sua capacidade, considerando que a grande maioria dos fluxos de dados converge para o gateway. Dentre eles, podemos citar [11]:

9 ? Número total de nós da rede: a soma das vazões por nó não deve exceder a capacidade do gateway. A tendência é que a carga na rede cresça com a quantidade de nós ativos e, com ela, a disputa pelo acesso ao meio. Uma proposta para controle deste parâmetro pode se basear na referência [26]. Nela, os autores propõem um mecanismo proativo e limitado para que um cliente em uma rede mesh doméstica descubra e selecione um roteador para o seu tráfego em função da capacidade disponível em cada roteador da rede. Seu processo básico está ilustrado na Figura 7. Periodicamente o roteador anuncia sua capacidade disponível e, a partir dessas mensagens, o cliente escolhe aquele com maior disponibilidade para o tráfego que irá originar. Figura 7: Processo básico de descoberta e seleção de roteadores em um rede mesh doméstica? Interferência [7]: dependendo do modelo de alcance de interferência utilizado, sua influência é maior ou menor. Toda vez que uma estação ouve uma transmissão que não é capaz de decodificar, ela deve deixar de transmitir por um período EIFS (Extended Inter-Frame Space) de modo a não correr o risco de interferir em outra transmissão em curso. Este modelo faz sentido em uma rede sem fio tradicional em que nenhuma estação está a mais de 2 saltos de distância de outra, porém em uma rede de múltiplos saltos, este comportamento afeta a capacidade da rede. Suponha uma rede em cadeia Nó0 Nó1 Nó2 Nó3, com o Nó2 fora do alcance de transmissão do Nó0 mas dentro de seu alcance de interferência. Cada vez que o Nó1 envia um quadro de dados ao Nó0, o ACK enviado pelo Nó0 não é decodificado pelo Nó2 mas é ouvido. De acordo com as definições do padrão, o Nó2 deve deixar de transmitir por EIFS, que é o maior intervalo de tempo definido. Com isso, antes que o Nó2 tenha chances de tentar novo acesso ao meio, o Nó1 ou o Nó3 já adquiriram a oportunidade de transmissão.? Densidade de nós e sua variação ao longo da rede.

10 ? Posição dos nós e carga oferecida pelos demais nós: os nós que sofrem menos interferência injetam mais tráfego na rede do que seus vizinhos são capazes de repassar.? Localização e quantidade de gateways: parâmetros relacionados à escalabilidade da rede. Em redes de múltiplos saltos, os problemas do terminal escondido e do terminal exposto são agravados, tornando o desempenho da rede muito ruim, pois a distância entre os nós é menor nestas redes, aumentando a interferência entre eles e criando grandes gaps de transmissão devido aos nós não conseguirem detectar a disponibilidade dos vizinhos. 3.4 Controle de Admissão de Chamadas (CAC) O mecanismo de controle de chamadas é necessário em 2 situações [9], conforme a Figura 8: no tráfego de acesso, de modo a balancear o tráfego de entrada na rede e o tráfego encaminhado pelo nó, e no tráfego de backbone entre os nós mesh, para controle da carga da rede. Este mecanismo deve se basear na capacidade disponível da rede, no tipo de tráfego e nos requisitos de QoS do mesmo para determinar se a rede é capaz de aceitar a nova conexão sem degradar aquelas em curso e garantindo-lhe uma QoS mínima. Figura 8: 2 situações em que o mecanismo de CAC se faz necessário 3.5 Controle de Fluxo O controle de fluxo e o mecanismo de CAC estão intimamente ligados e relacionados de modo que o primeiro mantém o nível de serviço acordado no segundo. Para implementar o controle de fluxo, é necessário considerar o gerenciamento do espaço em buffer em cada nó, a posição do nó relativa ao gateway, o número de saltos entre um nó de origem e um nó de destino e o tráfego agregado que um nó deve encaminhar em relação ao tráfego originado no nó, dentre outros. 3.6 QoS Fim-a-Fim Este item depende da capacidade de negociação e adaptação dos níveis de serviço oferecidos pelas diferentes redes ou domínios administrativos através dos quais uma conexão trafega.

11 Cada rede pode selecionar, modificar ou trocar seu mecanismo de gerenciamento de recursos para implementar seu nível de serviço com as redes vizinhas, de forma independente. A qualidade de serviço fim-a-fim será garantida com os níveis de serviço sendo atendidos em cada rede. [9], [4] 3.7 Mecanismos de Negociação de Níveis de Serviço (Service Level Agreement SLA) Em redes DiffServ cabeadas, muitas vezes existe a figura de um Bandwidth Broker que centraliza as políticas de QoS do domínio, as aplica nos nós e negocia os níveis de serviço com outros domínios. Nas redes mesh, os mecanismos que regem a rede são essencialmente distribuídos, introduzindo um novo desafio para esta negociação de níveis de serviço entre domínios diferentes. A referência [12] propõe uma arquitetura para provisão de QoS em redes sem fio, não especificamente para redes mesh. A arquitetura contempla uma entidade centralizadora (QGS) semelhante a um Bandwidth Broker para negociação de QoS com as fontes de tráfego e com estas mesmas entidades de outros domínios e para atualização das tabelas de entidades locais (QLN) responsáveis pela aplicação da política de QoS e pelo transporte do tráfego. Como a atualização é feita para todas as entidades locais do domínio administrativo, a estação tem flexibilidade de mobilidade mantendo suas garantias de QoS. Para negociação de QoS e CAC, é utilizado o protocolo Dynamic Service Negotiation Protocol (DSNP), seguindo o fluxo exibido nas Figuras 9, 10 e 11. Figura 9: Fluxo de Negociação de QoS através de DSNP e atualização das entidades locais

12 Figura 10: Alteração dos requerimentos de QoS após negociação inicial Figura 11: Atualização da entidade central sobre as condições de tráfego locais Na Figura 9, após a obtenção de um IP válido na rede, a estação (MS) negocia com o QGS os requisitos de sua sessão de tempo real através da mensagem DSNP Request. O QGS avalia a admissão desta sessão basado em diversos fatores e atualiza todos os QLNs da rede através de uma mensagem de Update em multicast, enviando em seguida para a MS os parâmetros acordados para esta sessão atravé da mensagem DSNP Offer. A Figura 10 mostra que a MS pode atualizar os requisitos de QoS em qualquer momento ao longo da duração de sua sessão. O QGS avalia a possibilidade de atendêlos, atualiza os QLNs e informa o resultado do processo de admissão à MS. Por último, a Figura 11 mostra que, quando uma MS muda de QLN dentro de um mesmo domínio administrativo, não é necessária uma nova negociação entre o QGS e a MS, pois a política de QoS é divulgada para todos os QLNs. O novo QLN vai apenas atualizar o QGS com relação às condições de tráfego locais atuais a partir da

13 entrada de uma nova MS. Esta atualização das condições de tráfego é feita periodicamente pelos QLNs para que o QGS tenha uma visão global da rede. Caso a MS mude de domínio administrativo, o novo QGS consultará o QGS antigo e os servidores AAA (Authetication, Authorization, Accounting) antigo e novo para avaliar a admissão ou rejeição da sessão. 3.8 Diferenciação entre Tráfego de Acesso e Tráfego de Backbone Os nós de uma rede mesh podem exercer funções apenas de núcleo de rede ou associar a estas, funções de ponto de acesso. Com isso, existem 2 tipos de tráfego concorrentes, que influenciam na capacidade da rede, no controle de fluxo, no gerenciamento das filas e do espaço em buffer e na diferenciação dos serviços: o tráfego de acesso e o de backbone. 3.9 Balanceamento de Carga A implementação de mecanismos de balanceamento de carga distribui melhor a carga na rede, evitando atrasos, descarte de pacotes ou sobrecarga de um determinado nó ou gateway [9]. Isso pode ser obtido com protocolos de roteamento multi-caminho, desde que haja algum mecanismo de evitar que o tráfego de um mesmo fluxo passando por caminhos diferentes compita entre si reduzindo a eficiência Posicionamento Mínimo de Gateways na Rede Quanto maior a distância em saltos de um nó ao destino de seu tráfego, maior a influência do conflito espacial e dos próprios mecanismos de acesso ao meio do padrão IEEE na vazão alcançada pelo nó [11]. Dessa forma, considerando-se que a maior parte do tráfego em uma rede mesh é direcionada a um gateway, a otimização de sua posição e de sua quantidade é de suma importância para maximizar a vazão dos nós e conseqüentemente a capacidade da rede Alocação de Potência A provisão de QoS em redes mesh deve considerar a escalabilidade visto que estas redes tendem a crescer e conter centenas ou milhares de equipamentos. Este ponto traz a consideração de que o aumento da potência e conseqüentemente do alcance de transmissão incrementa as perdas de forma quadrática pelo aumento do conflito espacial [11]. Deve haver então um compromisso entre a manutenção da conectividade e a redução do conflito espacial, aumentando a capacidade da rede. A alocação de potência pode ser feita de forma diferenciada de acordo com a classe de tráfego em função dos diferentes requisitos de QoS de cada classe Ambientes de Múltiplos Canais O uso de múltiplas interfaces e múltiplos canais de freqüência aumenta a capacidade da rede, na medida em que distribui melhor o tráfego e minimiza os problemas do terminal escondido e do terminal exposto. Porém estes ambientes oferecem uma maior complexidade na estimativa da disponibilidade da rede para cálculo de métricas baseadas em QoS e para a própria implementação de uma arquitetura voltada para a qualidade de serviço.

14 4. Propostas de Implementação de QoS Podemos classificar as propostas de implementação de qualidade de serviço com base na pilha clássica de protocolos de rede [9]:? Subcamada MAC: extensões ao protocolo de acesso ao meio, como por exemplo, o padrão IEEE e, e novos esquemas;? Camada de rede: extensões e otimizações dos protocolos de roteamento ad hoc tradicionais de modo a considerarem os parâmetros de QoS na seleção do melhor caminho;? Cross-layer: soluções que permitem a troca de informações entre as camadas, consideradas as mais efetivas. Na literatura, existem propostas de reserva de slots de tempo [18], [19], [20]; propostas de diffserv para meios sem fio [4]; propostas baseadas em prioridade; emulação de mesh IEEE sobre hardware a, onde pacotes são inseridos em pacotes broadcast com o payload preenchido de modo a estar alinhado com as fronteiras do quadro TDMA (a camada é inserida entre a camada de rede e a camada através de um upgrade de software apenas) [21]; extensões, alterações e novos protocolos de roteamento; otimizações da subcamada MAC; e reserva de recursos [22]. Nas próximas subseções, detalharemos algumas destas propostas, focando naquelas cuja implementação de encaminhamento por múltiplos saltos seja através de protocolos de roteamento ad hoc nível 3, ou seja, baseadas em otimizações padronizadas da subcamada MAC, extensões/alterações nos protocolos de roteamento e em diffserv para meios sem fio. 4.1 Otimização da Sub-Camada MAC O padrão IEEE e, concluído em julho de 2005, introduz mecanismos para provisão de Qualidade de Serviço em redes sem fio IEEE Dentre as funcionalidades principais, podemos destacar [10]:? Definições de classes de tráfego: permite 8 diferentes categorias de tráfego (idênticas às classes de prioridade definidas no Anexo G do padrão IEEE 802.1D ou no Anexo G do padrão IEEE 802.1Q) e 8 fluxos de tráfego (traffic stream TS) parametrizados, atribuídos pelas camadas superiores. Para redes não-estruturadas (ad hoc), somente são permitidos os 8 primeiros valores referentes às categorias de tráfego.? Uso de filas diferentes para cada classe de tráfego com diferentes prioridades de acesso ao meio através dos parâmetros que definem a probabilidade de acesso, como intervalos de backoff, intervalos entre quadros, dentre outros.? Janelas privilegiadas de transmissão (Transmission Opportunities TXOP): permitem o envio de vários quadros sem disputa de acesso ao meio entre eles dentro de um limite máximo de tempo (TXOPLimit). O padrão introduz 2 novos modos de acesso ao meio [15]: Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF), que equivale ao DCF (Distributed Coordination Function) acrescido de mecanismos de diferenciação do tráfego, e Hybrid Coordination Function (HCF), que equivale ao PCF (Point Coordination Function) também acrescido de mecanismos de diferenciação de classes de serviço, englobando um período de

15 Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) para acesso com contenção e de HCF Controlled Channel Access (HCCA) para acesso sem contenção. O EDCF introduz uma instância própria de backoff com um conjunto de parâmetros específicos para cada fila, que constituem uma categoria de acesso (AC). Cada categoria de tráfego (TC), determinada pela prioridade passada por camadas superiores, disputa por uma oportunidade de transmissão (TXOP) usando os seguintes parâmetros para priorização:? Arbitration Inter-Frame Space (AIFS): período de tempo durante o qual uma estação deve escutar o meio livre antes de tentar acessá-lo ou de decrementar o backoff correspondente àquela TC. TCs com maior prioridade usam AIFSs menores. O tráfego de estações sem suporte a QoS é tratado como prioridade 0 (melhor esforço).? Tamanho mínimo da Janela de Contenção (CW min ): tamanho inicial da janela de contenção, duplicado a cada ocorrência de colisão até atingir um valor máximo, sendo este mantido até esgotar o limite de retransmissões. TCs com maior prioridade usam CW min s menores, garantindo a longo prazo uma prioridade maior de acesso ao meio.? Limite da oportunidade de transmissão (TXOPLimit): duração máxima de uma oportunidade de transmissão durante a qual uma estação pode transmitir quadros sem ter que disputar pelo acesso ao meio, reduzindo o overhead de acesso ao meio e solucionando o problema da estação lenta. A oportunidade de transmissão é obtida por uma estação após a disputa pelo acesso ao meio ou atribuída pelo ponto de acesso no papel de hybrid coordinator (HC). A existência de várias filas poderia causar colisão se mais de uma TC verifica permissão para transmitir simultaneamente. Isso é resolvido através de um escalonador virtual que dá acesso à TC de maior prioridade e inicia um backoff após duplicar sua janela de contenção para a outra TC. O padrão define 3 pontos possíveis na lista de processos pela qual um quadro passa para ser transmitido em que os quadros podem ser enfileirados por AC, conforme a Figura 12, deixando a escolha a cargo da implementação. Os pontos são a Fragmentação, a Criptografia (opcional) ou o encapsulamento da PDU de camada superior através da introdução do cabeçalho MAC e do trailer de CRC (Cyclic Redundancy Check). [17]

16 Figura 12: Pontos de diferenciação de tráfego na lista de processos da transmissão de um quadro Nos quadros, foi introduzido um novo subtipo relacionado à QoS, indicado pelo bit 7 do campo Subtipo do Controle de Quadro. O novo formato é indicado na Figura 13. [17] Figura 13: Formato do Quadro IEEE com o campo Controle de QoS presente O campo de Controle de QoS é constituído de 16 bits que identificam a TC ou TS à qual o quadro pertence e outras informações de QoS relativas ao tipo e subtipo do quadro. O significado dos bits é dado na Tabela 1, onde TID identifica a TC ou TS; EOSP é enviado pelo HC para indicar o fim do período de serviço; ACK Policy identifica a política de confirmação a ser usada após a recepção do quadro, podendo ser normal, sem ACK, sem confirmação explícita ou Block ACK; TXOPLimit especifica a oportunidade de transmissão atribuída pelo HC durante o período sem contenção; Queue Size representa o tamanho da fila daquele TID que pode ser usado para o ponto de acesso determinar o TXOPLimit a ser atribuído a esta estação; e TXOP Duration Requested é o TXOPLimit solicitado pela estação para este TID para a sua próxima oportunidade de transmissão. Tabela 1: Significado do campo Controle de QoS por tipo/subtipo de quadro

17 Apesar de o padrão definir uma série de parâmetros que permitem obter a diferenciação de serviços, ele não define de que forma estes parâmetros devem ser relacionados à carga na rede e às características do tráfego de modo a utilizar o meio sem fio compartilhado de forma eficiente. [16] Especificamente com relação às redes mesh, o padrão não é suficiente em alguns aspectos, a saber [6]:? Assume tráfego de único salto entre o ponto de acesso e as estações;? O ponto de acesso é responsável por definir os parâmetros de QoS das estações associadas a ele. A classificação do tráfego por estações que não tenham a função de ponto de acesso é prevista mas está fora do escopo do padrão;? O controle de admissão é administrado pelo ponto de acesso assim como a reserva de TXOPs através do método HCF;? Os nós mesh não possuem visibilidade completa da rede, necessitando de uma coordenação distribuída;? Não foi desenvolvido para múltiplos saltos, fazendo com que problemas como os do terminal escondido e do terminal exposto piorem ainda mais o desempenho da rede;? Não provê considerações fim-a-fim, causando ineficiência no uso da rede. Para tratar os problemas do terminal escondido e do terminal exposto, foram propostas diversas variações de protocolos baseados em tons de ocupado (busy-tone based protocols). A idéia básica é adicionar um canal de controle separado do canal de dados para indicar que o receptor está recebendo dados, protegendo esta recepção. O transmissor verifica este canal de controle antes de transmitir seu RTS. Se o canal está ocupado, ele não inicia sua transmissão. Ao receber o RTS, o receptor começa a transmitir o tom de ocupado pelo canal de controle durante todo o período de recepção dos dados. A implementação pode utilizar antenas setorizadas com comutação de feixes, antenas de múltiplos feixes ou vetores de antenas adaptativos, predominantemente com antenas diretivas. O método acima evita a colisão durante a transmissão dos dados, porém a colisão ainda pode ocorrer durante a transmissão do RTS. Uma solução é utilizar 2 canais de controle, além do canal de dados, para transmissão dos tons de ocupado, um referente ao transmissor (BT t ) para indicar a transmissão do RTS e outro referente ao receptor (BT r ). O transmissor emite o tom de ocupado enquanto está transmitindo o RTS. O receptor, tanto de dados quanto de ACKs, emite o tom de ocupado durante a recepção do quadro. O canal BT t é definido com um alcance 2 vezes maior que o alcance de transmissão dos dados e o canal BT r, com o mesmo alcance da transmissão dos dados.

18 Antes da conclusão do padrão IEEE e, a WiFi Alliance (WFA) definiu o Wireless Multimedia Extensions (WME) ou WiFi Multimedia (WMM) como um perfil deste, especificando 4 categorias de tráfego mapeadas em 4 classes de aplicação, a saber: voz, vídeo, melhor esforço e background. Cada pacote é rotulado com o DiffServ Code Point (DSCP) adequado no cabeçalho IP e enviado para a fila correspondente. Apesar de não oferecer garantias de vazão, é mais simples e foi bem aceito pela indústria. [10] 4.2 Extensões / Alterações dos Protocolos de Roteamento Ad Hoc Tradicionais Existem diversas propostas de alteração de protocolos de roteamento de modo a incluir métricas multidimensionais que avaliem a qualidade do enlace sem fio na seleção do melhor caminho. Também foram propostos novos protocolos que já incorporem novas métricas. Nesta pesquisa, são consideradas extensões dos protocolos AODV e OLSR e a proposta de novos protocolos. Algumas novas métricas propostas são o modified ETX (metx), que corrige os problemas de adaptação à alta variabilidade das condições dos enlaces de rádio do Expected Transmission Count (ETX) por considerar a variância da taxa de perdas além da média, usando métrica aditiva em enlaces sucessivos como no ETX [14]; Effective Number of Transmissions (ENT), que garante que a taxa de perda de pacotes fim-a-fim conforme vista pelas camadas superiores não exceda determinado limite especificado por elas [14]; e o produto das probabilidades de sucesso na transmissão de um pacote sobre múltiplos enlaces (calculado como inverso de ETX) no protocolo OLSR-ML (Minimum Loss) [23]. Em [3], é proposta uma variação do protocolo AODV chamada Radio Metric AODV (RM-AODV) que verifica periodicamente as condições de rádio com os vizinhos para selecionar rotas que minimizem e estabilizem a métrica de rádio. Ele prevê o uso de nós com múltiplas interfaces de rádio usadas em paralelo ou a escolha daquela com menor taxa de utilização dos recursos de rádio para cada destino, maximizando a capacidade do sistema em função da contínua variação das condições de rádio. Este protocolo está incorporado no HWMP como a função sob demanda desse protocolo híbrido. A métrica de rádio proposta quantifica a qualidade do enlace sem fio de acordo com a taxa de transmissão, a quantidade de tráfego, a quantidade de interferência, dentre outros fatores. A dinâmica do protocolo, ilustrada na Figura 14, consiste na divulgação das métricas de rádio entre os vizinhos e, por ser um protocolo reativo, no broadcast pela origem de uma requisição de rotas. Cada nó intermediário adiciona a métrica de rádio do enlace ao valor que consta na requisição, entregando ao destino a métrica acumulada. Caso ambas as interfaces do nó tenham a mesma métrica, a interface por onde o pacote chega primeiro é escolhida, contabilizando o estado de congestionamento de cada interface. O destino escolhe o caminho de menor métrica e notifica os nós intermediários através de uma resposta.

19 Figura 14: Dinâmica do Protocolo RM -AODV A Figura 15 compara o uso da métrica proposta com a métrica de contagem de saltos tradicional para 1 e 2 interfaces, obtendo uma vazão 2,3 vezes maior com o uso da métrica de rádio através de 2 interfaces em relação à métrica de contagem de saltos com 1 interface. Figura 15: Comparação entre a métrica tradicional e a métrica proposta A referência [24] associa o protocolo pró-ativo Optimized Link State Routing (OLSR) acrescido de métricas de QoS (QOLSR) baseadas em banda e atraso com as técnicas de múltiplos caminhos para aumentar a vazão fim-a-fim. Para evitar que o tráfego em cada caminho compita entre si, são calculados múltiplos caminhos sem loop e com correlação mínima entre os nós. Além destes, outro critério de seleção é uma diferença de tamanho pequena entre o caminho principal e os alternativos. O QOLSR usa o algoritmo de Dijkstra para calcular o caminho de menor custo, que no caso proposto é a banda máxima, sendo o atraso mínimo a métrica que soluciona

20 o impasse de mais de um caminho de banda máxima. Este algoritmo chamado de shortest-widest path é usado também para eliminar os loops. As métricas de banda e atraso são interessantes também para a seleção de rotas baseadas em QoS em redes sem fio de múltiplos saltos, porém o atraso é mais difícil de ser mensurado. Em [10], é proposta a utilização de um mecanismo de par de pacotes (baseado no mecanismo de trem de pacotes) enviados sem intervalo entre eles e medida a diferença entre seus tempos de recebimento, para monitorar as taxas de transmissão e a capacidade da rede. O critério de seleção do menor caminho associado a estas métricas também se aplica às redes mesh na medida em que o aumento no número de saltos diminui a vazão por nó e aumenta o atraso pelas múltiplas disputas de acesso ao meio. Em [13], é proposto um protocolo de roteamento que propaga informação de banda pela rede e prevê um mecanismo de controle de congestionamento para evitar congestionamentos provocados pela mobilidade, reduzindo a taxa do tráfego de melhor esforço. São implementados 4 componentes:? Gerenciamento de Banda Adaptativo: para o cálculo da banda disponível são usadas informações locais e dos vizinhos, sendo a taxa de utilização estimada pela fração do tempo em que um nó percebe o canal ocupado;? Roteamento baseado em QoS escalável: a proposta é de uso de roteamento hierárquico, como o Landmark, para roteamento entre áreas, com um roteamento local dentro de cada área. O vetor de distâncias do protocolo Landmark é estendido para conter métricas de QoS, como as bandas máxima e mínima de cada área, e o protocolo local provê as informações detalhadas da banda de cada nó dentro da área;? CAC: feito através dos parâmetros de bandas mínima e máxima descritos acima. Cada vez que uma nova conexão de tempo real é iniciada, a taxa de tráfego de melhor esforço é reduzida, mas garantindo-se uma banda mínima para não interrompê-lo;? Controle de Congestionamento: quando a taxa de utilização do canal ultrapassa determinado limite, é iniciado o controle de taxa do tráfego de melhor esforço através de additive increase, multiplicative decrease (AIMD), marcando-se os bits ECN (Explicit Congestion Notification) do campo ToS (Type of Service) do cabeçalho IP e propagando até a fonte, garantindo assim que ele não impacte nas conexões de tempo real já estabelecidas. 4.3 Diffserv em meios sem fio (Wireless DiffServ) O modelo de Wireless DiffServ introduz diferenças significativas no modelo de DiffServ tradicional das redes cabeadas, pelas seguintes razões:? O nó mesh assume 2 papéis: roteador de borda para APs e estações sob sua área de cobertura, classificando o tráfego e agregando os requerimentos de serviço em um SLA único para o backbone, e roteador de núcleo, encaminhando o tráfego de acordo com sua classe. O papel de roteador de borda ainda mantém a escalabilidade, característica básica do DiffServ, pois a funcionalidade abrange apenas um número limitado de estações.

21 ? Como já dito neste trabalho, não existe a figura central de um Bandwidth Broker para coletar as condições de tráfego e gerenciar a alocação de recursos em uma rede mesh, pois ela é essencialmente distribuída.? O SLA pode estar associado a qualquer dos gateways e a mais de um para balanceamento de carga.? É necessário um SLA dinâmico em redes mesh, visto que o nível de agregação de tráfego é baixo por sua natureza distribuída, tornando a alocação de recursos bastante dinâmica.? Existe a necessidade de troca de informações entre as camadas de rede, de enlace e física devido à banda de uma interface não ser fixa e variar dinamicamente conforme as condições de rádio. Como em geral uma rede mesh apresenta baixa mobilidade, uma vez descoberta uma rota, ela não será alterada desde que satisfaça os requerimentos de QoS dos fluxos que carrega. A seleção de rotas é baseada nos requisitos de cada classe de tráfego e não baseada em fluxos, garantindo escalabilidade. A proposta de [4] é baseada no conceito de cross-layer e pode ser implementada através de 4 componentes:? Classificador de carga: monitora o tráfego agregado de cada classe de serviço e o classifica em 3 níveis baixo, médio e alto. Quando 2 classes de serviço trocam de nível de carga, o selecionador de rotas é chamado para alocar os recursos de forma eficiente.? Selecionador de rotas: realiza as funções de seleção do gateway de destino e de seleção de um caminho para este gateway. A seleção do gateway é baseada na carga de tráfego de cada um, anunciada em broadcast na rede quando alguma mudança significativa ocorre. A seleção de caminhos é feita através do protocolo reativo Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR), podendo contabilizar a taxa de erros de pacotes acumulada durante a descoberta de uma rota e reiniciar o processo caso ultrapasse determinado limite.? Rotina de Controle de Admissão de Chamadas: é realizada pelo gateway de destino escolhido pelo passo anterior, através de mensagens de sinalização para cada nó da rota e para aqueles que estão na área de interferência destes, verificando a banda disponível e levando em consideração na alocação de recursos os nós que podem transmitir simultaneamente.? Rotina de Reparo de Rotas: é acionada quando a rota não está mais disponível fisicamente ou quando a rotina de CAC rejeita a conexão por não ser capaz de satisfazer os requisitos de QoS. O selecionador de rotas busca um novo caminho apenas a partir do ponto onde ocorreu a falha, reduzindo o overhead, e o gateway selecionado inicia novamente a rotina de CAC. Os pacotes são enfileirados de acordo com sua classe de serviço e seu próximo salto. Os mecanismos de gerenciamento de filas são as priority queues e random early detection in and out (RIO), garantindo diferenciação de serviço dentro de um mesmo nó, como apresentado na Figura 16.

22 Figura 16: Classificação de tráfego e gerenciamento de filas Para obter diferenciação de tráfego no acesso ao meio, é utilizado o mecanismo EDCA do padrão IEEE e, o que provê uma priorização estatística e não garantias de priorização. Uma possibilidade de prover esta garantia de priorização é proposta no esquema de black burst contention [4], que é uma variação do EDCA. Após um nó verificar o meio livre por um AIFS da classe de tráfego a ser transmitida, ao invés de esperar pelo seu tempo de backoff, envia um sinal de jam (pulsos de energia) pelo período do backoff. Após o fim de seu período de envio do sinal de jam, verifica novamente se o meio está livre e, em caso positivo, inicia sua transmissão. Caso o meio esteja ocupado, o nó mantém o tamanho da janela de contenção, escolhe outro número aleatório e aguarda AIFS novamente. A garantia de prioridade está no fato do AIFS da classe EF ser menor que os demais. A Figura 17 ilustra esse esquema. Figura 17: Black Burst Contention Protocol A dinâmica normal da subcamada MAC do IEEE provê uma injustiça a curto prazo, visto que uma transmissão bem-sucedida retorna a janela de contenção do transmissor para CW min, aumentando as chances que ele vença a disputa pelo acesso ao meio novamente. Isso tem um impacto negativo nas aplicações de tempo real, cujos requisitos de atraso e variação de atraso são restritos, e nas aplicações que rodam sobre TCP. O mecanismo discutido acima [4] também pode influenciar positivamente nesta injustiça a curto prazo do IEEE na medida em que favorece o transmissor com maior período de backoff, distribuindo melhor o tempo de acesso ao canal a curto prazo entre os nós que desejam transmitir.